★杭州海康機器人股份有限公司王春茂

1　背景

在工業(yè)自動化在高精度測量領(lǐng)域，3D線激光掃描測量技術(shù)憑借其非接觸、高精度、適用范圍廣等優(yōu)點，目前已經(jīng)智能制造中廣泛使用。特別是在汽車汽配行業(yè)，產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率逐漸成為產(chǎn)品市場競爭力的關(guān)鍵因素。

傳統(tǒng)的單目3D激光輪廓傳感器是基于線激光三角測量法來重建三維場景的如圖1所示。通過向被測物表面投射激光線，使用2D相機接收其反射光的變化，可以非接觸式測量物體表面輪廓。通過被測物和激光輪廓傳感器之間的相對運動，對連續(xù)獲取的一組剖面輪廓高度數(shù)據(jù)來近似地重構(gòu)出被測物的3D形狀，實現(xiàn)高精度測量及檢測。

圖1 三角測量原理示意圖

然而，當(dāng)激光線運行路徑上存在遮擋物時，激光線無法進入成像光學(xué)系統(tǒng)，容易造成點云成像數(shù)據(jù)缺失，即盲區(qū)，對后續(xù)點云數(shù)據(jù)分析造成影響。而采用雙相機對向架設(shè)的拼接方案，存在標(biāo)定工序復(fù)雜、部署難度大、對機構(gòu)穩(wěn)定性要求高等問題。其次，在高反光材質(zhì)的精密器件3D檢測任務(wù)中，因物體表面漫反射光線復(fù)雜，普通的3D激光輪廓傳感器通常無法準(zhǔn)確提取到物體表面的點云數(shù)據(jù)。

汽車連接器PIN針檢測場景就面臨著上述檢測挑戰(zhàn)。其中，PIN針是連接器中用來完成電或信號的導(dǎo)電傳輸?shù)囊环N金屬物質(zhì)，主要功能是完成電或信號的導(dǎo)電傳輸。除車載使用的連接器外，PIN針還廣泛應(yīng)用于變壓器、電感器、中周、接插件、電容、電阻、馬達、二三極管、集成電路等眾多電子元件中。汽車連接器如圖2所示。

隨著生產(chǎn)企業(yè)對質(zhì)量的把控力度增加，PIN針檢測的需求也不斷增多。

圖2 汽車連接器示意圖

2　案例實施與應(yīng)用

2.1　場景介紹

在汽車連接器生產(chǎn)過程中，PIN針的質(zhì)量直接影響到連接器的功能和安全性。傳統(tǒng)的人工檢測方式存在效率低、易出錯等問題，難以滿足高精度、大批量生產(chǎn)的需求。其中，PIN針檢測主要包含高度測量、平面度/位置度、斷針、少針等內(nèi)容。

海康機器人的優(yōu)勢之一，就在于對特定場景開展軟硬件的綜合優(yōu)化，提供場景化定制的產(chǎn)品和方案。面向汽車連接器PIN針的檢測痛點，海康機器人推出了雙目單線激光輪廓傳感器搭載VM3D算法平臺的綜合方案，實現(xiàn)對汽車連接器PIN針的高精度、自動化檢測，大幅提升生產(chǎn)線的檢測能力和產(chǎn)品質(zhì)量。方案已在多個終端用戶落地使用，大幅度提升了PIN針檢測項目的效率和檢測質(zhì)量。

2.2　方案介紹

硬件部署方面，3D相機在檢測過程中一般為固定狀態(tài)，平移臺帶動樣品運動，實現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域掃描過程，平臺輸出等間隔的編碼器信號，確保相機等間距采集輪廓數(shù)據(jù)。平臺參數(shù)包括平移臺速度、相機幀率、相鄰輪廓間隔、相機架設(shè)預(yù)留空間等。3D激光輪廓傳感器在選型時主要參考單輪廓點數(shù)、X/Z軸測量范圍、重復(fù)性精度和掃描幀率等參數(shù)。汽車連接器PIN針檢測項目中，采用海康機器人雙目單線激光輪廓傳感器，點云清晰細(xì)膩，重復(fù)精度可以達到亞微米級，完整的硬件配置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 硬件部署示意圖

軟件部署方面，海康機器人VM3D算法平臺軟件，共有超過70個以上的3D圖像算子，涵蓋了3D測量、3D定位、3D圖像處理和3D缺陷檢測等功能，同時具備100多個2D算子輔助，可以實現(xiàn)“2D+3D+AI”的豐富功能。在汽車連接器PIN針檢測項目中，VM3D搭建流程包括目標(biāo)定位、圖像處理和測量檢測等流程。基于相機采集的深度圖像，導(dǎo)入VM3D軟件中。主要通過灰度變換、高精度匹配、位置修正、基準(zhǔn)矯正、統(tǒng)計測量、點面測量等工具，滿足PIN針高度、XY間隔位置，基面平面度等測量需求。VM3D軟件部署如圖4所示。

圖4 VM3D軟件部署示意圖

自產(chǎn)品發(fā)布起，海康機器人汽車連接器PIN針檢測方案已被華東、華南等區(qū)域的眾多合作伙伴集成在智能檢測設(shè)備中，并在多家汽車電子用戶的產(chǎn)線上落地應(yīng)用。同時，海康機器人也根據(jù)客戶的需求，客制化地開發(fā)了界面集成顯示畫面，如圖5所示，顯示歷史檢測數(shù)量、NG個數(shù)、NG原因分類、PIN針高度等關(guān)鍵指標(biāo)，終端客戶可實時掌握生產(chǎn)質(zhì)量情況。

圖5 界面顯示圖

3　應(yīng)用創(chuàng)新

作為連接器生產(chǎn)制造中的關(guān)鍵工序，PIN針檢測工藝對于視覺系統(tǒng)有著如下技術(shù)要求。

（1）精度要求高：傳統(tǒng)PIN針歪斜檢測主要依靠人工觀察或者利用插排等工件測試，存在檢測效率低、精度無法滿足工業(yè)要求的問題。一般來說，PIN針檢測的Z軸精度要求在0.01~0.1mm。

（2）檢測內(nèi)容多：PIN針檢測除了常見的PIN針高度檢測，還有基準(zhǔn)面平面度檢測、PIN針間距檢測、PIN針缺少檢測等檢測項。

（3）產(chǎn)品種類多：出于降本考慮，許多檢測工位需要兼顧多種產(chǎn)品的檢測需求。由于連接器的材質(zhì)、形態(tài)各異，對視覺系統(tǒng)的兼容性要求更高。

海康機器人充分調(diào)研客戶需求，設(shè)計推出了雙目單線激光輪廓傳感器，不同于傳統(tǒng)的激光輪廓傳感器，雙目相機內(nèi)部通過雙傳感器圖像融合，二者盲區(qū)互補，實現(xiàn)掃描方向上盲區(qū)消除。提升傳感器檢測精度，滿足不同的檢測需求。配套的VM3D算法平臺可以高效地搭建檢測方案，應(yīng)對不同的工件情況。

4　效益分析

（1）成本層面：1+1＜2

相比于傳統(tǒng)雙相機對頭拼接架設(shè)消除盲區(qū)的方式，雙目單線激光輪廓傳感器可獨立實現(xiàn)此功能，同時不受外部拼接標(biāo)定誤差影響，可進一步降低項目成本和項目實施復(fù)雜度，提升檢測精度。單頭輪廓儀和雙目單線輪廓儀成像對比示意圖如圖6所示。

（2）效果層面：1+1＞2

通過相機內(nèi)置的對稱設(shè)計的圖像采集模塊，拍攝被測物表面的激光線，進而通過圖像處理，抑制雜光對點云提取的影響，相比雙相機對象拼接方案，進一步提升了點云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和真實性。傳統(tǒng)拼接方式與雙目單線傳感器對比示意圖如圖7所示。

圖6 單頭輪廓儀和雙目單線輪廓儀成像對比示意圖

圖7傳統(tǒng)拼接方式與雙目單線傳感器對比示意圖

5　案例意義

在汽車行業(yè)中，連接器是汽車電子系統(tǒng)的重要零部件，連接器內(nèi)部Pin針的質(zhì)量直接關(guān)系到整個車輛電子系統(tǒng)的安全。海康機器人雙目單線激光輪廓傳感器與VM3D算法平臺在汽車連接器PIN針檢測中的成功應(yīng)用，不僅提升了汽車制造業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，也為其他高精度測量場景提供了可復(fù)制的技術(shù)方案。新技術(shù)能有效提升檢測效率和質(zhì)量，進一步降低項目成本，助力終端用戶智能生產(chǎn)，高質(zhì)量生產(chǎn)。

隨著工業(yè)4.0時代的到來，越來越多的制造企業(yè)需要通過自動化和智能化技術(shù)來提升生產(chǎn)效率，降低成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量。海康機器人通過不斷創(chuàng)新和優(yōu)化，已經(jīng)為汽車、汽配、3C電子等多個行業(yè)提供了高精度測量方案，推動質(zhì)檢環(huán)節(jié)向智能化、高效化轉(zhuǎn)型，為產(chǎn)品品質(zhì)保駕護航。

摘自《自動化博覽》2024年12月刊